CN113553638B - 一种基于围护结构蓄热系数的建筑累积效应因子确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于围护结构蓄热系数的建筑累积效应因子确定方法，该方法包括以下步骤：1)根据围护结构材料属性，确定围护结构的材料蓄热系数；2)计算任意τ时刻室内空气温度与设计温度之差Δt_r(τ)；3)根据Δt_r(τ)获得累计效应引起的围护结构内表面温度变化；4)根据内表面温度变化Δt_i(τ)计算累计效应因子。本发明通过将蓄热负荷与维护结构蓄热系数值相关联，并定义了一种新的由材料蓄热引起的累积效应负荷修正因子，提出了一种简便的蓄热负荷计算方法。

Description

一种基于围护结构蓄热系数的建筑累积效应因子确定方法

技术领域

本发明涉及建筑围护结构传热领域，尤其涉及一种基于围护结构蓄热系数的建筑累积效应因子确定方法。

背景技术

类似于经济学中的“边际效应”，暖通空调专业中的“累积效应”主要指的是：随着室外气温不断增高(降低)，室内空调负荷增大(减小)的趋势逐渐变缓，而导致室内冷(热)负荷在一段时间内不在与室外气温呈相关性。“累积效应”的原因主要是建筑外围护结构中的保温层让从室外导入围护结构的热流密度及温度波均“滞后”于室外热湿环境变化，在电力系统中已经有学者对“累积效应”在空调系统能耗方面的影响做出过研究，并提出：“累积效应”是一种在建筑中普遍存在的效应，围护结构的蓄热和人体对热量感受能力的延迟反应是造成累积效的两种基本原因，而且累积效应对空调能耗有很大影响。因此在暖通空调专业设计过程中需要定量研究“累积效应”对空调负荷的影响大小，以便对空调负荷做出精准的计算。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于围护结构蓄热系数的建筑累积效应因子确定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于围护结构蓄热系数的建筑累积效应因子确定方法，包括以下步骤：

1)根据围护结构材料属性，确定围护结构的材料蓄热系数S；

材料蓄热系数定义为：当物体表面温度波振幅为1℃时，导入物体的最大热流密度。按照其定义写出任意六个面中一面的蓄热系数，

(1)式中：U_i为各墙体传热系数(W/m².K)，F_i为各墙体的面积(m²)，

为室外综合平均温度(℃)，Q_design(τ)为τ时刻设计空调负荷(W)，Δt_r-per(τ)为室内平均温度和设计温度之差与室内空调负荷的比值(℃/W)，RS(0)为0时刻蓄热反应系数，Δt_r(τ)室内平均温度与设计温度之差(℃)。

按照周期性非稳态热传导理论，蓄热系数还可以表示为：

(2)式中：a为建筑围护结构热扩散率(m²/s)，P为墙体内表面温度波的周期，ρ为密度(kg/m³)，A_w为过余温度(℃)，ψ内表面温度波延迟时间(s或者h)，用(3)式计算得出：

于是，可以得到：

(4)式中f₄表示为方程。

2)计算任意τ时刻室内空气温度与设计温度之差Δt_r(τ)；

3)根据Δt_r(τ)获得内表面温度变化Δt_i(τ)

Δt_i(τ)＝f₃(Δt_r(τ)) (6)

其中，函数f₃为修正函数；

4)根据内表面温度变化计算累计效应因子

(7)式中

为第i个表面对流传热系数。

本发明产生的有益效果是：本发明将围护结构蓄热量与围护结构蓄热系数值S相关联，提出了累积效应因子的获取方法，进而得到一种简便的蓄热负荷计算的新方法。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的计算模型示意图；

图2是本发明实施例的方法流程图；

图3是本发明实施例的墙体设置示意图；

图4是本发明实施例的房间示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请中所有涉及的参数解释如下：

A_f：累积效应因子

Δt_i(τ)：累计效应引起的围护结构内表面温度变化(℃)

U_i：各墙体传热系数(W/m².K)

F_i：各墙体的面积(m²)

室外综合平均温度(℃)

Q_design(τ)：τ时刻设计空调负荷(W)

Δt_r-per(τ)：室内平均温度和设计温度之差与室内空调负荷的比值(℃/W)

RS(0)为0时刻蓄热反应系数

Δt_r(τ)室内平均温度与设计温度之差(℃)

a：建筑围护结构热扩散率(m²/s)

P：墙体内表面温度波的周期

ρ：密度(kg/m³)

A_w：过余温度(℃)

ψ：内表面温度波延迟时间(s或者h)

图1为本专利计算模型示意图，如图2所示，一种基于围护结构蓄热系数的建筑累积效应因子确定方法，包括以下步骤：

1)根据围护结构材料属性，确定围护结构的材料蓄热系数S；

材料蓄热系数定义为：当物体表面温度波振幅为1℃时，导入物体的最大热流密度。按照其定义写出任意六个面中一面的蓄热系数，

按照周期性非稳态热传导理论，蓄热系数还可以表示为：

于是，可以得到：

2)Δt_r(τ)计算；

下面介绍Δt_r(τ)计算方法：热平衡法与反应系数法。反应系数法中的反应系数包含两类，传热反应系数Y(0)和Y(j)，吸热反应系数X(0)，X(j)，Z(0)以及Z(j)。所有的反应系数均可由下式确定：

A_i,B_i和δ_i都是求解过程中的一些系数,j是Δτ的分解项数。如图2所示，六个面在任意时刻τ的瞬时传热量均可以用热反应系数法表示，如公式；

紧接着建立6个面的传热模型，运用热平衡法可得：

将六个面的传热方程改写为更清晰的矩阵形式：

EX_τ＝F (18)

X_τ＝[T₁(τ) ... T₈(τ) HE(j)]^T (20)

其中，H和I均为系数矩阵，当内表面温度和t_r(τ)等于0摄氏度时，可以求出HE(0)，HE(1)和HE(j)。将-HE(j)定义为蓄热反应系数RS(j)，如公式：

RS(j)＝-HE(j) (22)

至此，三个与累积效应有关的因子均可求出，分别是：累计负荷HS(τ)，温度上升或下降系数Δt_r-per(τ)以及任意τ时刻室内空气温度与设计温度之差Δt_r(τ)，计算公式如下：

当Q_design(τ)＝1时，

Δt_r-per(τ)＝Δt_r(τ) (24)

3)根据Δt_r(τ)获得内表面温度变化Δt_i(τ)

Δt_i(τ)＝f₃(Δt_r(τ)) (26)

其中，函数f₃为修正函数；

4)根据内表面温度变化计算累计效应因子；

根据上式，Δt_r(τ)和Δt_i(τ)是两个主要计算对象，可以采用MATLAB2014a编程求解得到。The variableΔt_r(τ)的求解过程如图2(a)所示，Δt_i(τ)的求解过程如图2(b)所示。

5)根据累计效应因子计算蓄热负荷

采用上述方案的案例计算

案例包含三种类型的墙体：无保温墙体(Wall E1)；轻质墙体(Wall E1)；重型墙体(Wall E1),如图3及表1所示，其中，图3墙体设置示意图从内到外：水泥-石灰砂浆，烧制的多孔砖，粘结的聚苯乙烯颗粒，隔热材料，抗龟裂砂浆；图3(a)对应Wall E1；图3(b)对应Wall E2；图3(c)对应Wall E3，案例房间见图4。

表1材料特性

室外温度(2017年1月15-16；2017年1月19-20；2017年1月20-21)傅里叶分解结果如三阶三角函数公式及表2所示：

表2室外温度分解系数表

温度测试仪器及精度及计算结果如表3和表4；

表3温度测试仪器及精度

表4计算结果Δt_r(τ)，Δt_i(τ),A_f

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于围护结构蓄热系数的建筑累积效应因子确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据围护结构材料属性，确定围护结构的材料蓄热系数；

对于围护结构任意六个面中一面的蓄热系数，

其中，Δt_r(τ)为τ时刻室内空气温度与设计温度之差，U为墙体传热系数，P为墙体内表面温度波的周期，ρ为密度，ψ为墙体内表面温度波延迟时间，f₄为构建的函数关系；

将蓄热系数表示为Δt_r(τ)的函数；

其中，U_i为各墙体传热系数，F_i为各墙体的面积，

为室外综合平均温度，Q_design(τ)为τ时刻设计空调负荷，Δt_r-per(τ)为室内平均温度和设计温度之差与室内空调负荷的比值，RS(0)为0时刻蓄热反应系数；

2)计算任意τ时刻室内空气温度与设计温度之差Δt_r(τ)；

其中，Q_design(τ)为室内设计空调负荷，RS(j)为j时刻蓄热反应系数，RS(0)为0时刻蓄热反应系数；

3)根据Δt_r(τ)获得累计效应引起的围护结构内表面温度变化Δt_i(τ)；

Δt_i(τ)＝f₃(Δt_r(τ))

其中，函数f₃为构建因累计效应引起的围护结构内表面温度变化Δt_i(τ)与Δt_r(τ)的关系函数；

4)根据内表面温度变化Δt_i(τ)计算累计效应因子A_f；

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